studi pengaruh temperatur pada karakteristik partial

STUDI PENGARUH TEMPERATUR PADA KARAKTERISTIK
PARTIAL DISCHARGE PADA BAHAN RESIN EPOKSI
Abdul Syakur 1), Yuningtyastuti2), Winarko Ari P3)
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Soedharto, SH, Tembalang, Semarang - Indonesia
Email: [email protected]
1,2,3)
ABSTRAK
Material polimer sekarang ini telah digunakan secara luas sebagai isolasi peralatan tegangan tinggi.
Dalam penggunaannya, isolasi polimer dapat mengalami penurunan kualitas isolasi atau degradasi hingga
tidak dapat berfungsi sebagai isolator yang layak. Salah satu penyebabnya utama penurunan kualitas isolasi
adalah karena adanya cacat berupa tonjolan atau konduktor runcing pada interface konduktor dan isolasi
sehingga dapat menyebabkan partial discharge (PD). Oleh karena itu, sangat perlu untuk mengetahui
karakteristik dari partial discharge yang terjadi pada isolasi polimer.
Pada makalah ini membahas hasil penelitian tentang pengaruh temperatur pada karakteristik PD
selama menahan tegangan kerja. Sampel yang digunakan adalah resin epoksi yang diamati pada temperatur
ruang (290C) dan temperatur 400C dengan sistem pengukuran menggunakan elektroda jarum-bidang pada
tegangan AC.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi karakteristik jumlah pulsa PD dan
muatan maksimum PD. Semakin tinggi temperatur sampel maka jumlah pulsa PD positif dan negatif
cenderung meningkat. Demikian juga pada muatan maksimum PD muatan positif dan negatif.
Kata kunci : partial discharge, resin epoksi, elektroda jarum-bidang.
1.
Pendahuluan
Material polimer sekarang ini telah
digunakan secara luas sebagai isolasi peralatan
tegangan tinggi karena mempunyai banyak
keunggulan dibanding dengan material lain.
Beberapa faktor yang berpengaruh pada
performansi material isolasi polimer adalah cacat
( defect ). Cacat itu dapat timbul dalam bentuk
void, ketidakmurnian (impurities ), dan tonjolan
(protrusion) pada permukaan (interface) antara
lapisan semikonduktor atau konduktor dan isolasi
polimer sehingga dapat meninggikan tekanan
(stress) medan listrik yang tinggi pada bagian
yang cacat tersebut. Dalam pemakaiannya akibat
adanya stress listrik yang terus-menerus maka
akan terjadi penuaan (aging) isolasi polimer dan
pada cacat tersebut akan timbul dan tumbuh
electrical treeing yang disertai dengan munculnya
peristiwa partial discharge (PD) dalam material
isolasi polimer yang merupakan awal terjadinya
breakdown pada isolasi polimer.
Analisis partial discharge berguna untuk
mendiagnosis
tingkat
degradasi
polimer.
Fenomena pre-breakdown dapat dideteksi dengan
pengamatan dan pengukuran pulsa partial
discharge. Studi mengenai pengukuran partial
discharge menyatakan bahwa PD sangat
dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, gas yang
mengisi rongga serta tekanan, kelembaban, dan
temperatur. Disebutkan pula bahwa muatan
maksimum secara umum semakin tinggi dengan
semakin tingginya tegangan yang diterapkan,
kelembaban, dan temperatur.
Salah satu material isolasi polimer adalah
resin epoksi yang secara luas digunakan sebagai
isolasi pada banyak peralatan listrik karena
Studi Pengaruh Temperatur .....(Abdul Syakur, ....)
material ini mempunyai karakteristik listrik dan
mekanik yang sangat baik.
2.
Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah
mempelajari
pengaruh
temperature
pada
karakteristik partial discharge pada bahan resin
epoksi
3.
3.1
Metodologi
Sampel dan Elektroda
Resin epoksi adalah kombinasi dari
bisphenol A dan epichlorohydrin yang
mempunyai formasi dari rentetan polimer, yang
mengandung dua kelompok reaktif epoxide dan
hydroxyl. Bentuk kimia resin epoksi dapat dilihat
pada gambar 1[3].
Gambar 1. Persamaan kimia Resin Epoksi
Elektroda Jarum
sampel
50 mm
1,5 mm
5mm
Elektroda Bidang
Gambar 2. Sampel dengan elektroda jarum-bidang
1
http://jurnal.unimus.ac.id
Elektroda yang digunakan dalam penelitian
ini adalah elektroda jarum-bidang. Elektoda jarum
dengan panjang 50 mm, diameter jarum 1 mm dan
radius kurvatur dari ujung jarum adalah 3 μm.
Jarum terbuat dari baja dan ditusukkan ke dalam
material polimer epoksi resin. Untuk elektroda
bidang memiliki ukuran 25x10 mm dengan
ketebalan 1,5 mm terbuat dari alumunium. Jarak
antara elektroda jarum dan elektroda bidang
adalah 5 mm.
Sistem Pengukuran
Pengukuran partial discharge (PD) dengan
sistem elektroda jarum-bidang, elektroda jarum
dihubungkan dengan tegangan tinggi AC (50 Hz)
yaitu 22 kVrms, 24 kVrms, dan 26 kVrms,
sedangkan elektroda bidang dihubungkan dengan
sisi tegangan rendah. Saat pengukuran sampel
ditempatkan di dalam chamber yang berisi
minyak isolasi. Rangkaian pengukuran PD
ditunjukkan seperti pada gambar 3 berikut ini.
flashdisk, sehingga perekaman data tidak
dilakukan secara simultan. Selanjutnya data hasil
pengukuran diolah dengan bantuan software
Microsoft Excell.
3.2.
Gambar 4. Tampilan pulsa PD pada layar Osiloskop
GDS 2104
Nilai
Baris
Gambar 5. Tampilan data pulsa PD
5.
3.1.
PD yang muncul dideteksi dengan
menggunakan detektor PD. Untuk mendapatkan
sensivitas yang baik, dapat dilakukan dengan
mengatur besarnya R dan C pada detektor PD.
Fungsi detektor PD ini adalah sebagai integrator.
Sehingga output dari detektor PD ini adalah
berupa integrasi dari gelombang arus PD sebagai
fungsi waktu, dengan demikian tegangan output
ini sebanding dengan muatan PD dan dinyatakan
dengan[11] :
V ~ q ..............................................................(1)
out
0,1
Jumlah pulsa PD positif
(per siklus)
Gambar 3. Rangkaian pengukuran PD
Analisis dan Pembahasan
Karakteristik Jumlah Pulsa PD
Karakteristik jumlah pulsa PD sebagai
fungsi tegangan pada sampel resin epoksi pada
kondisi temperatur yang berbeda ditunjukkan
pada gambar 6 dan 7.
0,08
0,06
0,04
20
suhu 29 C
22
24
Tegangan (kV)
suhu 40 C
ruang
26
28
suhu 40 C
Gambar 6. Karakteristik jumlah pulsa PD Positif
terhadap tegangan
4.
Hasil Pengukuran
Pulsa-pulsa PD selama pengukuran
berlangsung dapat diamati pada osiloskop digital
GDS 2104 yang memiliki 4 channel dengan
bandwidth 200 Mhz, laju sampling maksimum per
channel 1 GS/s. Pengambilan data dilakukan
dengan menyimpan data dengan alat bantu
Media Elektrika, Vol. 1, No. 2, 2008 : 1 – 4
2
http://jurnal.unimus.ac.id
Muatan pos max rata-rata
(pC)
Jumlah pulsa PD negatif
(per siklus)
0,12
0,1
0,08
0,06
1200
1000
800
600
400
0,04
20
22
24
26
20
28
Tegangan (kV)
suhu 29 C
suhu 40 C
22
24
26
Tegangan (kV)
ruang
suhu 40 C
Gambar 7. Karakteristik jumlah pulsa PD Negatif
terhadap tegangan
suhu 29 C
suhu 40 C
suhu 29 C
suhu 40 C
Gambar 8. Karakteristik muatan maksimum rata-rata
PD Positif tehadap tegangan
3.2.
Karakteristik Muatan Maksimum PD
Karakteristik muatan maksimum rata-rata
PD sebagai fungsi tegangan pada sampel resin
epoksi pada kondisi temperatur yang berbeda
ditunjukkan pada gambar 8 dan 9.
Studi Pengaruh Temperatur .....(Abdul Syakur, ....)
Muatan neg max rata-rata
(pC)
1200
Jumlah pulsa PD yang diamati adalah
jumlah pulsa PD positif dan negatif pada setiap
siklus. Pada grafik di atas dapat diamati bahwa
jumlah pulsa PD baik positif maupun negatif
meningkat dengan kenaikan tegangan yang
diterapkan dan kenaikan temperatur. Peningkatan
jumlah pulsa PD positif dan negatif tersebut dapat
dijelaskan sebagai berikut : ketika tegangan yang
diterapkan dinaikkan, maka kuat medan listrik
akan bertambah, sehingga energi ionisasi makin
besar yang mengakibatkan semakin banyak
elektron yang lepas dari ikatannya. Elektron ini
memungkinkan mengionisasi atom gas netral
dalam rongga polimer bila bertumbukan. Ionisasi
menghasilkan elektron dan ion positif berikutnya.
Semakin besar kuat medan listrik yang
diterapkan, proses ionisasi atau pelepasan
elektron dari ikatannya semakin menghebat
sehingga terjadi banjiran (avalanche) elektron
yang menyebabkan meningkatnya jumlah muatan.
Dengan menaikan temperatur maka jumlah
PD pun semakin banyak seiring bertambahnya
waktu. Dalam pecobaan yang telah dilakukan,
pada temperatur 400C, berarti memberikan suatu
energi termal pada elektron dalam suatu atom
polimer. Energi termal ini dapat digunakan oleh
elektron pada orbit terluar (elektron valensi)
untuk terionisasi dan menjadi elektron bebas. Jika
energi termal yang diberikan pada elektron
valensi melebihi energi ionisasi, maka kelebihan
energi ini akan merupakan energi kinetik bagi
elektron bebas tersebut. Sehingga elektron bebas
ini dapat bergerak dan pergerakannya dipercepat
oleh adanya medan listrik yang diterapkan.
Elektron bebas ini dalam jumlah tertentu akan
dapat menimbulkan peluahan sebagian dalam
polimer[6]. Jadi semakin tinggi temperatur suatu
polimer akan semakin banyak jumlah peluahan
sebagian yang muncul.
1000
800
600
400
20
22
24
26
Tegangan (kV)
suhu 29 C
suhu 40 C
suhu 29 C
suhu 40 C
Gambar 9. Karakteristik muatan maksimum rata-rata
PD Negatif tehadap tegangan
Muatan maksimum PD yang diamati
adalah muatan maksimum rata-rata PD positif dan
negatif. Pada grafik di atas dapat diamati bahwa
maksimum rata-rata PD baik positif maupun
negatif meningkat dengan kenaikan tegangan
yang diterapkan dan kenaikan temperatur. Ketika
tegangan yang diterapkan dinaikkan, maka kuat
medan listrik akan bertambah, sehingga energi
ionisasi yang diterima elektron untuk lepas dari
ikatannya makin besar. Besar muatan elektron
yang terlepas dari ikatannya sebanding dengan
energi ionisasi yang diterimanya, maka makin
besar energi ionisasi makin besar juga muatan
elektron yang mengalir.
Dengan adanya kenaikan temperatur pada
material isolasi polimer dan seiring dengan
bertambahnya waktu muatan maksimum partial
discharge yang terjadi semakin besar. Hal ini
dapat dijelaskan sebagai berikut : jika temperatur
dinaikkan akan terjadi peningkatan energi termal
yang diperlukan untuk merangsang gerakan
vibrasi yang cukup untuk menyebabkan
pemutusan ikatan polimer dan akhirnya bahan
akan mengalami dekomposisi sehingga semakin
mudah munculnya partial discharge. Keadaan ini
menyebabkan dinding zat padat lama-kelamaan
rusak, jalur discharge akan semakin panjang dan
semakin besar sehingga jalur ini akan semakin
bersifat konduktif yang akhirnya akan
memudahkan arus mengalir atau muatan PD
semakin besar.
3
http://jurnal.unimus.ac.id
4.
Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari
penelitian ini adalah :
1. Karakteristik jumlah pulsa dan muatan
maksimum PD meningkat terhadap kenaikan
tegangan.
2. Karakteristik jumlah pulsa dan muatan
maksimum PD semakin meningkat karena
pengaruh kenaikan temperatur pada polimer.
3. Pada temperatur 400C akan terjadi
peningkatan energi termal pada elektron
dalam suatu atom polimer yang diperlukan
untuk merangsang gerakan vibrasi yang
cukup untuk menyebabkan pemutusan ikatan
polimer.
4. Jumlah pulsa PD negatif lebih banyak
daripada jumlah pulsa positif.
7.
Resin, IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, Vol. 8 No. 4.
10. M. Nagao, K. Oda, K. Nishioka, Y. (2002):
Propagations of Electrical Trees in Filled
Epoxy Resin under AC Voltage, Jurnal
Teknik Tegangan Tinggi Indonesia, Vol.4
No.2.
11. Syakur, A., Windarto, J,. Suwarno dan Redy,
M. (2005): Pengukuran Partial Discharge
(PD) pada Bahan Isolasi Polimer untuk
Mendeteksi
Kerusakan
Isolasi
pada
Peralatan
Tegangan
Tinggi
dengan
Menggunakan Software Labview, Makalah
seminar Nasional Ketenagalistrikan 2005,
Semarang.
Daftar Pustaka
1.
Dissado, L.A., Fothergill J.C. (1992):
Electrical Degradation and Breakdown in
Polymers, IEEE Transactions on Dilelectrics
and Electrical Insulation Material and
Devices Series 9, Peter Peregrinus Ltd.,
London, United Kongdom.
2. Hazmi, A., Suwarno (2002): Pengukuran
Partial Discharge Pada Pemohonan Listrik
Ko-Polimer Etylene Acrylic Acid (EAA),
Jurnal Teknik Tegangan Tinggi Indonesia,
FOSTU, Vol. 4, No. 2.
3. Nugroho, P.S. (2000): Studi pengukuran
peluahan sebagian pada pemohonan Listrik
dan Void dalam LDPE, Tugas Akhir S-1,
Institut Teknologi Bandung, Bandung.
4. Suwarno (1996): Study on electrical treeing
and partial discharge in Polymeric Insulating
Materials, A Dissertation for The Doctor
Degree at School of Enginering, Nagoya
University, Japan.
5. Syakur,
A.,
dan
Suwarno
(2002):
Karakteristik Partial Discharge Void pada
Kelembaban Tinggi, Jurnal Teknik Tegangan
Tinggi Indonesia, FOSTU, Vol. 4, No. 2.
6. Kurnianto, R. (1998): Studi Pengaruh
Temperatur Pada Karakteristik Pemohonan
Lisrik Dalam Polymer, Tesis S-2, Institut
Teknologi Bandung, Bandung.
7. Morshuis, P.H.F. (1993): Partial Discharge
Mechanism,
Delft
University
Press,
Netherlands.
8. Schifani,
R.
(1995):
Temperature
Dependence of Epoxy Resistance to PD,
IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation, Vol. 2 No. 4.
9. Schifani, R., R. Candela and P. Romano
(2001): On PD Mechanism at High
Temperature in Voids Included in an Epoxy
Media Elektrika, Vol. 1, No. 2, 2008 : 1 – 4
4
http://jurnal.unimus.ac.id